基于KXR94加速度計的微型慣性測量裝置設計

微型慣性測量裝置MIMU(Micro Inertial Measure-ment Unit)以其尺寸小、成本低等特點不僅在傳統應用領域得到應用，而且在商業領域占據了一定的市場。本文設計了一個高度集成、低功耗及低成本的微型慣性測量裝置，可精確地測算出載體的航向角、俯仰角及位置等信息，為運動軌跡跟蹤實驗打下了基礎，也可廣泛地應用于民用航空、車輛控制、機器人、工業自動化、探礦、玩具等領域。

1 系統硬件設計
1．1 慣性測量器件選擇
??? 根據運動軌跡跟蹤的特征和實驗本身的特點，微慣性測量裝置應該滿足下列設計要求：體積小、質量輕、功耗低、采集頻率和采集精度高、成本低以及抗沖擊能力強。為了實現這些需求，微慣性測量裝置的硬件主要由微慣性傳感器單元MEMS和微處理器單元DSP組成。微慣性傳感器單元由微機械陀螺和微加速度計組成，可精確測量載體的3個軸向角速度信息和3個軸向加速度信息。
??? 加速度計是慣性導航與慣性制導系統的一類重要敏感元件，用來測量運載體相對慣性空間運動的加速度，經過積分和相關的運算就能得到載體空間的位置。加速度計是一個直接測量元件，它能連續測量運載體的加速度，然后經過計算機解算出運載體速度、經緯度及航程等。本系統采用的KXR94加速度計芯片是Kionix公司生產的三軸加速度計。該加速度計內部已經對溫度和電壓波動引起的偏差進行了設計補償，因此由于電壓和溫度引起的偏差較小。該器件測量范圍為±2 g，靈敏度系數為560 mV／g，非線性度為0．1％，零加速度漂移為±150 mg；2．8～3．3 V均可工作；功耗很低，靜態電流約1.1 mA。其原理圖如圖1所示。

?? 陀螺儀用來測量載體的運動角速度。本設計中選用InvenSense公司生產的IDG-300雙軸陀螺，其精度穩定在±3°／s以內需要200 ms。該器件采用3．0～3．3 V供電；測量偏航角速度的范圍是±500°／s，靈敏度為2 mV／(rad·s－1)，零位輸出電壓為1．5 V；通過外部電阻和電容可分別設定測量角速度的范圍、帶寬及零位輸出電壓。其原理圖如圖2所示。

???? 此陀螺未對內部溫度和電壓引起的波動進行補償，在設計中要充分考慮。可從兩個方面來彌補其不足：①在電路板布局設計時，陀螺和加速度計芯片要盡量遠離電路板上電源、串口等發熱和電壓波動大的芯片；②在軟件算法設計時，運用陀螺的溫度漂移系數對其進行修正。
1．2 硬件電路設計
??? DSP采用TI公司發布的C2000系列32位定點信號處理器TMS320F2812。其整合了高性能的DSP內核、128 KB的片上Flash存儲器、16路12位A／D轉換器以及SCI串行通信接口。傳感器單元所測得的模擬量經集成在DSP片上的A／D轉換器采集寫入片上Flash。所有信息在通過DSP的捷聯慣導處理后得到被測目標的位置信息。最終結果通過RS232直接發送至上位機，并顯示輸出。
??? 在系統的構建中使用了2個IDG－300型陀螺儀，其中一個軸向的角度測量可以作為冗余設計。又因算法要求對加速度計和陀螺模擬信號的采集嚴格控制在同一時刻，故選用了2片AD684采樣保持放大器。AD684的每個采樣通道可以在1μs內完成采樣，而信號的損失率不高于0．01 μV／μs，且擁有很好的線性度和交流特性。AD684的控制信號為S／Hn，將此引腳拉低則進行采樣保持。系統將2片AD684的S／Hn信號連接到DSP的1個I／O引腳上，這樣可將所有采集信號采樣保持，為DSP采集做好準備。圖3是慣性測量裝置的硬件連接圖。DSP外設部分采用3．3 V供電，故其SCI引腳的信號特性為TTL電平。在實際使用時通常需要將TTL電平轉換為RS232電平。系統中選用MAX3232將DSP的SCI接口信號轉換成計算機的RS232信號進行通信。這是因為RS232的工作范圍是－15～+15 V。如此寬的范圍即使存在電壓衰減，傳輸信號也可以被可靠地識別；而一般情況下傳輸線路越長，衰減就越嚴重。因此，在同等情況下RS232更能實現長距離傳輸。為了使裝置實現遠距離傳輸，同時考慮到RS232接口的通用性，本系統選擇MAX3232用于與上位計算機通信。

2 系統軟件設計
??? 慣性導航系統屬于一種推算導航方式，即根據連續測得的運載體航向角和速度，從一已知點的位置推算出其下一點的位置，因而可連續測出運動體的當前位置。慣性導航系統中的陀螺儀用來形成一個導航坐標系，使加速度計的測量軸穩定在該坐標系中，并給出航向和姿態角；加速度計用來測量運動體的加速度，經過對時間的一次積分得到速度，再經過對時間的一次積分即得到距離。故該裝置在測量載體角速度與加速度信息的基礎上，能夠確定運載體的位置和地球重力場參數，從而實現載體的多種運動狀態信息的測量。本系統在DSP復位以后，首先進行芯片的初始化，配置PLL、ADC、GPIO、SCI等各個功能模塊，之后對AD684等外設進行配置；當AD684完成加速度計和陀螺儀的信號采集后，進入定位解算程序，將結果存入緩沖區；最后向上位機輸出定位信息。系統軟件流程如圖4所示。

?實驗結果
??? 在實驗室條件下，將微型慣性測量裝置捆綁到人的腿部，分別進行了被測人員下樓梯和繞環形樓道行走的跟蹤實驗。實驗結果證明，該裝置能正確跟蹤被測人員的每一步行蹤，且效果良好。圖5和圖6為兩種情況下該裝置輸出的被測人員的移動軌跡。

4 結 論
??? 本系統由TMS320F2812信號處理器、IDG－300型陀螺儀和KXR94加速度計組成了一個微型慣性測量裝置。該裝置可準確跟蹤運動目標，具有體積小、質量輕、功耗低、成本低等優點。鑒于該裝置的特點，還可應用于帶有運動檢測和狀態感知的手機，以監視手機所在位置和被使用狀況；帶有硬盤保護系統的筆記本電腦和媒體播放器；可移動游戲機，通過改善當前游戲界面和開發新的基于運動的游戲，提供更多互動、直觀和趣味性強的游戲體驗；數碼相機，通過檢測位置、運動和振動而自動幫助用戶更好地拍照等。